CN109092802A - 一种废旧硬质合金表面涂层的去除方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种废旧合金表面涂层的去除方法，属于废旧硬质合金的回收利用技术领域。所述方法为：采用激光束对废旧硬质合金表面的涂层加热，将水射流置于激光束后方，激光和水射流同时作用于废旧硬质合金表面的涂层，在激光束作用下软化的涂层被激光束后面的射流冲蚀掉，废旧硬质合金的基体也同时得到了冷却，可以有效降低激光束对基体材料的热损伤。和传统的单独采用激光去除硬质合金表面的涂层相比，激光加热的温度远低于涂层的融化或气化温度，降低了能量输入。水射流加工的引入，提高了加工效率，降低了基体的热损伤，去除涂层后回收的基体材料性能更加优异，是一种低能耗、低损伤、高效、绿色的加工技术。
Description
技术领域
本发明涉及废旧硬质合金的回收利用技术领域，尤其涉及一种对废旧硬质合金的表面涂层进行去除后回收利用硬质合金的方法。
背景技术
硬质合金的生产消耗了大量的钨、钴资源，导致资源供求矛盾越来越大。许多国家将硬质合金废料作为宝贵的第二资源，解决原料来源及降低硬质合金的生产成本。对于涂层类废旧硬质合金而言，由于其表面涂层成分复杂，涂层与硬质合金基体结合紧密、耐磨、耐腐蚀性高，不易处理，如以废旧的硬质合金制取的二次原料中混入涂层物，则会影响硬质合金产品的回收质量。所以，对于涂层类废旧硬质合金的回收，首先需要将其表面的涂层去除，但同时也要尽可能地降低涂层去除对硬质合金基体的损伤。因此，研发一种高效、实用的涂层去除工艺成为此类硬质合金回收利用的关键。
目前涂层去除方法大致分为化学法和物理法。化学法主要包括酸、碱处理法，但这类方法普遍存在采用的化学试剂存在安全隐患，容易对环境造成二次污染等缺陷，且这类方法能够处理的涂层种类有限、操作复杂；物理法如喷砂、球磨等，但这类方法普遍存在对涂层的去除不均匀，易引入杂质等缺陷；由于硬质合金基体形状的复杂性，涂层难以完全去除且基体损伤严重。因此，涂层硬质合金的回收工艺在具备高效、实用的同时，还应该具有对环境友好的特点。
激光加工技术不产生环境污染，不引入任何杂质。对于不同种类的涂层，通过设置激光工艺参数可以有效的去除。加工精度高，对于复杂形状的废旧硬质合金涂层去除优势明显。然而，普通的激光加工去除硬质合金表面的涂层效率偏低，而且无法避免对基体的热损伤。因此，有必要研究一种高效、对环境友好，且能够避免对基体热损伤的去除硬质合金表面涂层的方法。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种废旧硬质合金表面涂层的去除方法，和传统的单独采用激光去除硬质合金表面的涂层相比，本发明采用激光-水射流复合加工技术去除硬质合金表面的涂层，能够在保证对基体低损伤的前提下，有效地去除硬质合金表面的涂层，而且本发明的方法去除效率高、绿色，通过合理地调节工艺参数，即能够去除不同种类和结构的涂层，适用范围广，极具工业应用前景。
本发明的目的之一是提供一种废旧硬质合金表面涂层的去除方法。
本发明的目的之二是提供废旧硬质合金表面涂层的去除方法的应用。
为实现上述发明目的，具体的，本发明公开了下述技术方案：
首先，本发明公开了一种废旧合金表面涂层的去除方法：采用激光束对废旧硬质合金表面的涂层加热，将水射流置于激光束后方，激光和水射流同时作用于废旧硬质合金表面的涂层，在激光束作用下软化的涂层被激光束后面的射流冲蚀掉，废旧硬质合金的基体也同时得到了冷却，可以有效降低激光束对基体材料的热损伤。
优选的，所述激光束垂直作用于硬质合金涂层表面，水射流倾斜置于激光束后面，并与激光束同时、同向、同速移动。
优选的，所述水射流的靶距为1-2mm；所述靶距是指：水射流从喷口到硬质合金涂层表面的距离。
优选的，所述水射流偏置距离范围为0.2-3mm；所述水射流偏置距离是指：水射流的中心与激光束中心之间的直线距离。
优选的，所述水射流的冲蚀角度为30°-60°；所述水射流的冲蚀角度是指：水射流的中心线与激光束的中心线相交后形成的夹角，当激光束垂直作用于硬质合金涂层表面时，水射流的冲蚀角度即为水射流的中心线与硬质合金涂层表面垂直线之间的夹角。
优选的，所述激光束中的激光切割单元使用纳秒脉冲激光，波长为1080nm，激光光斑直径为0.04-0.6mm，激光功率为5W-2000W，激光脉冲频率为0.1-100KHz，激光焦平面位置通过具有1μm灵敏度的精密焦平面移动装置调节，调节范围为-0.6-0mm。
优选的，激光束的面扫描速度为10-200mm/s。
优选的，所述水射流的喷嘴的内径大于激光光斑的直径，进一步优选的，所述水射流的喷嘴内径为0.3-5mm。
优选的，所述水射流水压在5-20MPa范围内根据需要进行调节，水射流要在保证加工质量的前提下尽量增加剪切力，以达到高效去除涂层的目的。
最后，本发明公开了废旧硬质合金表面涂层的去除方法在去除合金表面涂层中的应用。
本发明的基本原理为：激光和水射流同时作用于硬质合金的涂层表面，激光首先对涂层进行快速加热，使涂层软化，而水射流倾斜置于激光束后面，与激光束保持同时、同向、同速移动，通过控制激光束的输入能量，使涂层的温度远低于融化或气化温度，但又能够保证软化削弱涂层和基体之间的结合力，同时，通过水射流快速冲蚀去除被软化的涂层，达到去除硬质合金表面涂层的目的，由于水射流是和激光束保持同步运动，可以在及时有效地去除涂层的同时，对基体起到冷却的作用，降低对基体的热损伤。另外，由于本发明的水射流具有一定的冲击力，可以和激光束配合，在不需要将涂层加热到近乎融化或气化温度的情况下，可借助水射流的冲击力去除涂层，从而实现低能耗、低损伤、高效、绿色去除硬质合金表面涂层的目的。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：
(1)和传统的单独采用激光去除硬质合金表面的涂层相比，激光加热的温度远低于涂层的融化或气化温度，降低了能量输入。水射流加工的引入，提高了加工效率，降低了基体的热损伤，去除涂层后回收的基体材料性能更加优异，是一种低能耗、低损伤、高效、绿色、的加工技术。
(2)本发明采用激光-水射流复合加工技术通过合理地调节工艺参数，即能够去除不同种类和结构的涂层，适用范围广。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明激光-水射流去除硬质合金表面涂层的工艺原理图。
图2为本发明实施例1刀具表面涂层结构SEM图。
图3为本发明实施例2刀具表面涂层结构SEM图。
图4(a)为实施例1中刀具进行普通激光加工后刀具表面显微形貌；图4(b)为实施例1中刀具进行激光-水射流加工后的刀具表面显微形貌。
图5为实施例2中刀具进行激光-水射流加工后的刀具表面显微形貌。
图6为实施例1中刀具去除涂层后基体形貌SEM图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有的普通的激光加工去除硬质合金表面的涂层效率偏低，而且无法避免对基体的热损伤。因此，本发明提出一种废旧硬质合金表面涂层的去除方法，下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的说明。
实施例1
一种废旧合金表面涂层的去除方法：采用激光束对废旧硬质合金表面的涂层加热，将水射流置于激光束后方，激光和水射流同时作用于废旧硬质合金表面的涂层，在激光束作用下软化的涂层被激光束后面的射流冲蚀掉，废旧硬质合金的基体也同时得到了冷却，可以有效降低激光束对基体材料的热损伤。
本实施例中，待去除的废旧硬质合金的涂层厚度为15μm，涂层为TiAlN，涂层工艺为CVD，表1为TiAlN涂层的性能。
表1
激光工艺条件如表2所示：
表2
水射流工艺条件如表3所示：
表3
实施例2
去除废旧合金表面涂层的方法同实施例1，区别在于：本实施例中，待去除的废旧硬质合金的涂层厚度为5μm，涂层为AlTiN，涂层工艺为PVD技术，表4为AlTiN涂层的性能。
表4
激光工艺条件如表5所示：
表5
水射流工艺条件如表6所示：
表6
实施例3
本实施例中，待去除的废旧硬质合金的涂层厚度为15μm，涂层为TiAlN，涂层工艺为CVD。
激光工艺条件如表7所示：
表7
水射流工艺条件如表8所示：
表8
实施例4
本实施例中，待去除的废旧硬质合金的涂层厚度为5μm，涂层为AlTiN，涂层工艺为PVD。
激光工艺条件如表9所示：
表9
水射流工艺条件如表10所示：
表10
图4(a)、(b)为实施例1中的刀具经过普通激光和激光-水射流加工后刀具表面显微形貌，普通激光加工采用与激光-水射流加工相同的激光工艺参数，没有水射流作为辅助加工。由图4可知，两种加工方式都能够有效地去除硬质合金表面CVD涂层工艺的TiAlN涂层，普通激光加工材料去除不均匀，加工后的表面凹凸不平，涂层去除深度较浅约5μm；激光水射流加工后的表面加工质量明显改善，材料去除均匀，涂层去除深度由5μm增加到约15μm，加工效率明显提高。采用激光-水射流工艺能够高效均匀的去除硬质合金表面的涂层。
图5为实施例2中的刀具经过激光-水射流加工后的刀具表面显微形貌。由图5可知，激光水射流加工技术可以有效地均匀的去除硬质合金表面PVD涂层工艺的AlTiN涂层，通过合理的调整工艺参数，能够实现涂层的高效均匀去除。
图6为实施例1的刀具经过激光-水射流加工后表面涂层完全去除后的基体形貌SEM图。由图6可知，激光-水射流去除涂层后的硬质合金基体浅表层没有发现明显的热损伤区域，硬质合金基体的晶粒没有发生明显的变化，说明激光-水射流技术能够实现高效低损伤的去除硬质合金表面涂层。
实施例1、2表明，合理的选择激光加工参数激光扫描速度、水射流压力、水射流偏置距离、水射流面扫描列偏移量和激光脉冲频率等工艺参数，实现以较小的激光输入能量，完成硬质合金表面涂层的去除。相比普通激光加工，加工效率和加工质量得到提高。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种废旧合金表面涂层的去除方法，其特征在于：采用激光束对废旧硬质合金表面的涂层加热，将水射流置于激光束后方，激光和水射流同时作用于废旧硬质合金表面的涂层，在激光束作用下软化的涂层被激光束后面的射流冲蚀掉去除。
2.如权利要求1所述的废旧合金表面涂层的去除方法，其特征在于：所述激光束垂直作用于硬质合金涂层表面，水射流倾斜置于激光束后面，并与激光束同时、同向、同速移动。
3.如权利要求1所述的废旧合金表面涂层的去除方法，其特征在于：所述水射流的靶距为1-2mm。
4.如权利要求1所述的废旧合金表面涂层的去除方法，其特征在于：所述水射流偏置距离范围为0.2-3mm。
5.如权利要求1所述的废旧合金表面涂层的去除方法，其特征在于：所述水射流的冲蚀角度为30°-60°。
6.如权利要求1-5任一项所述的废旧合金表面涂层的去除方法，其特征在于：所述激光束中的激光切割单元使用纳秒脉冲激光，波长为1080nm，激光光斑直径为0.04-0.6mm，激光功率为5W-2000W，激光脉冲频率为0.1-100KHz，激光焦平面位置通过具有1μm灵敏度的精密焦平面移动装置调节，调节范围为-0.6-0mm。
7.如权利要求6所述的废旧合金表面涂层的去除方法，其特征在于：激光束的面扫描速度为10-200mm/s。
8.如权利要求7任一项所述的废旧合金表面涂层的去除方法，其特征在于：所述水射流的喷嘴的内径大于激光光斑的直径，优选的，所述水射流的喷嘴内径为0.3-5mm。
9.如权利要求9所述的废旧合金表面涂层的去除方法，其特征在于：所述水射流水压为5-20MPa。
10.如权利要求1-9任一项所述的废旧合金表面涂层的去除方法在去除合金表面涂层中的应用。
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